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生成モデルarXiv:2511.01795

フラクショナル拡散ブリッジモデル

Fractional Diffusion Bridge Models

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非マルコフ性を持つフラクショナルブラウン運動の近似を用いた新しい生成拡散ブリッジを提案し、タンパク質構造予測と画像変換で従来法を上回る性能を示した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 新規の生成 diffusion bridge フレームワーク **Fractional Diffusion Bridge Models (FDBM)** を提案 - 標準的な Brownian motion (BM) ではなく、**fractional Brownian motion (fBM)** の近似で駆動される - fBM が持つ記憶効果・長距離依存・粗さ・異常拡散を扱えるようにする - タスクとして paired データからの将来状態予測と、unpaired データ翻訳(Schrödinger bridge 拡張)を扱う

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 標準 diffusion / bridge は BM 前提のため、記憶効果や長距離依存、異常拡散を捉えられない - 既存の fBM 利用は非マルコフ性ゆえ推論が困難という課題があった - FDBM は **MA-fBM**(fBM のマルコフ近似)を用い、非マルコフ性を保ちつつ扱いやすい推論を実現 - Brownian ベースライン比でタスク性能が向上(後述の RMSD / FID)

3. 技術・手法の肝は?

- **MA-fBM** による Markovian 近似を diffusion bridge に組み込む - coupling を保存する生成 diffusion bridge の存在を証明し、paired データからの将来状態予測に利用 - さらに **Schrödinger bridge problem** へ拡張し、unpaired データ翻訳を学習するための原理的な損失関数を導出 - 要旨からは不明:具体的なネットワーク構成や学習手順の詳細

4. どうやって有効だと検証した?

- 2 タスクで評価 - aligned データからのタンパク質コンフォメーション将来予測 - unpaired image translation - 指標 - タンパク質構造予測で C$_α$ 原子位置の **RMSD** が Brownian ベースラインより低い - unpaired image translation で **FID** が Brownian ベースラインより低い - 両設定で FDBM が優位と報告

5. 議論はある?

- 要旨からは不明:限界、失敗例、計算コスト、MA-fBM 近似誤差の影響などの議論は明示されていない - 主張として、非マルコフ性を保ちつつ tractable inference を実現できる点が議論の中心 - Schrödinger bridge への拡張により unpaired 設定でも原理的損失で学習可能と述べる

6. 次に読むべき論文は?

- **fractional Brownian motion (fBM)** の基礎と非マルコフ性 - **MA-fBM**(fBM の Markovian approximation)の原論文 - **Diffusion Bridge Models** / **Schrödinger bridge** の既存研究 - 比較対象の **Brownian baselines** に関する diffusion / bridge 研究 - 応用先としてタンパク質構造予測および unpaired image translation の関連研究

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Gabriel Nobis, Maximilian Springenberg, Arina Belova, Rembert Daems, Christoph Knochenhauer, Manfred Opper, Tolga Birdal, Wojciech Samek

分類: cs.LG, cs.AI, cs.CV, cs.RO, stat.ML

原文アブストラクト

We present Fractional Diffusion Bridge Models (FDBM), a novel generative diffusion bridge framework driven by an approximation of the rich and non-Markovian fractional Brownian motion (fBM). Real stochastic processes exhibit a degree of memory effects (correlations in time), long-range dependencies, roughness and anomalous diffusion phenomena that are not captured in standard diffusion or bridge modeling due to the use of Brownian motion (BM). As a remedy, leveraging a recent Markovian approximation of fBM (MA-fBM), we construct FDBM that enable tractable inference while preserving the non-Markovian nature of fBM. We prove the existence of a coupling-preserving generative diffusion bridge and leverage it for future state prediction from paired training data. We then extend our formulation to the Schr\"{o}dinger bridge problem and derive a principled loss function to learn the unpaired data translation. We evaluate FDBM on both tasks: predicting future protein conformations from aligned data, and unpaired image translation. In both settings, FDBM achieves superior performance compared to the Brownian baselines, yielding lower root mean squared deviation (RMSD) of C$_\alpha$ atomic positions in protein structure prediction and lower Fr\'echet Inception Distance (FID) in unpaired image translation.

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